vorkurs allgemeine chemie für ingenieure und biologen 19 ... · umgesetzt werden soll, braucht man...
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Vorkurs Allgemeine Chemie für Ingenieure und Biologen
19. Oktober 2017Dr. Helmut Sitzmann, Apl.-Professor für Anorganische Chemie
CHEMISCHE FORMELN
Chrom Cr Metall
Chrom(III)chlorid CrCl3 ionische Verbindung
Chrom(VI)oxid CrO3 Kettenmoleküle, kovalente Bindung
Quarz SiO2 Atomgitter, kovalente Bindungen
Cystein, Molekül
Ammonium-Kation
Benzolmolekül, verschiedene Schreibweisen für C6H6
Dreimal Norbornen, mit kleinen
Unterschieden
CHEMISCHE REAKTIONEN
Bei chemischen Reaktionen entstehen aus den Ausgangsverbindungen
(Edukte) die Reaktionsprodukte. Solche Vorgänge werden in der typischen
Formelschreibweise der Chemie beschrieben.
Beispiele für Reaktionsgleichungen: H2 + Cl2 → 2 HCl
Cu2+ + 2 e- → Cu
Bei chemischen Reaktionen bleiben alle Atome erhalten.
Elektrische Ladungen bleiben ebenfalls erhalten.
Bei der Formulierung einer Reaktionsgleichung muss deshalb stets darauf
geachtet werden, dass links vom Reaktionspfeil die selben Atome in gleicher
Anzahl stehen wie rechts.
Das gleiche gilt für elektrische Ladungen: Die Summe der elektrischen
Ladungen links vom Reaktionspfeil muss der Summe der Ladungen auf der
rechten Seite der Reaktionsgleichung entsprechen.
CHEMISCHE REAKTIONEN
Aluminium verbrennt mit Sauerstoff zu Aluminiumoxid
Al und O2 sind Edukte, wie lautet die Formel für Aluminiumoxid?
Periodensystem: Al gibt drei Elektronen ab, O nimmt zwei auf.
Aus Al3+ und O2- bilden wir eine neutrale Verbindung.
Die Verbindung muss nach außen neutral sein, weil auch die
Ausgangsverbindungen (Edukte) neutral waren.
Also müssen zwei Al3+–Ionen auf drei O2-–Ionen kommen.
Al + O2 → Al2O3 Problem: Links und rechts vom Pfeil
stehen unterschiedliche Anzahlen von
Aluminium- und Sauerstoffatomen2 Al + 1.5 O2 → Al2O3 besser, aber halbe Moleküle sind unschön
4 Al + 3 O2 → 2 Al2O3 Die Gleichung wurde mit 2 multipliziert.
CHEMISCHE REAKTIONEN
Ethylen verbrennt mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser
C2H4 + O2 → CO2 + H2O Die Anzahl der Atome auf beiden Seiten
des Pfeils ist unterschiedlich. Zuerst kümmern wir uns um das
komplexere Molekül Ethylen, danach um den Sauerstoff.
Grund: Wenn wir beim Ethylen etwas ändern, ändert sich die Zahl
zweier Atomsorten, also auch die CO2 – und die H2O – Bilanz. Um den
Sauerstoff können wir uns danach kümmern, denn die O-Atome
kommen nur in einem der Produkte vor.
Ein Ethylenmolekül enthält zwei C-Atome und vier H-Atome. Deshalb
müssen Kohlendioxid und Wasser angepasst werden:C2H4 + O2 → 2 CO2 + 2 H2O
Jetzt stimmt die Bilanz für Kohlenstoff (zwei Atome auf beiden Seiten)
und für Wasserstoff (vier Atome links und rechts).
Zum Schluss schauen wir auf die Sauerstoffbilanz: Weil die Produkte
sechs Sauerstoffatome enthalten, brauchen wir drei
Sauerstoffmoleküle bei den Edukten:
C2H4 + 3 O2 → 2 CO2 + 2 H2O
REDOXREAKTIONEN
2 SO2 + O2 ⇋ 2 SO3 Redoxreaktion
V2O5 + SO2 ⇋ V2O4 + SO3 Oxidation von Schwefeldioxid
2 V2O4 + O2 ⇋ 2 V2O5 Katalysator –Regeneration
2 Na + Cl2 → 2 NaCl Oxidationsstufen
Elemente haben immer die Oxidationsstufe Null.
Die Summe der Oxidationsstufen links und rechts vom Pfeil ist gleich.
0 0 +I -I
2 Na + Cl2 → 2 NaCl
+I +VII–II +I +I +II +I -II
KMnO4 + 5 e- + 8 H+ → K+ + Mn2+ + 4 H2O Mangan wird reduziert (+VII → +II)
Bei einatomigen Ionen ist die Ladung gleich der Oxidationsstufe.
Bei mehratomigen Ionen ist die Summe der Oxidationsstufen gleich der
Gesamtladung des Ions.
Eine Lösung von
Kaliumpermanganat
REDOXREAKTIONEN
Eine Reduktion ist immer an eine Oxidation gekoppelt – und umgekehrt.
Elektronen weisen eine extreme Ladungsdichte auf und existieren deshalb in Lösungen
oder in Feststoffen nicht in freier Form. Sie können nur vom Reduktionsmittel auf das
Oxidationsmittel übertragen werden.
Fe2+ → Fe3+ + e- Oxidation
C2O42- → 2 CO2 + 2 e- Oxidation
Bei der Formulierung von Redoxgleichungen muss zuerst die Elektronenbilanz stimmen.
Wenn Eisen(II) als Reduktionsmittel mit dem Oxidationsmittel Kaliumpermanganat
umgesetzt werden soll, braucht man fünf Fe(II) – Ionen, um ein Permanganat-Ion zu
reduzieren. (Fe(II) gibt ein Elektron ab, Permanganat nimmt aber fünf Elektronen auf).
KMnO4 + 5 e- + 8 H+ → K+ + Mn2+ + 4 H2O wird also kombiniert mit
5 Fe2+ → 5 Fe3+ + 5 e- zur Gesamtgleichung
KMnO4 + 5 Fe2+ + 8 H+ → K+ + Mn2+ + 5 Fe3+ + 4 H2O
Kontrolle:
Alle Atome der Eduktseite müssen auf der Produktseite wieder auftauchen.
Die Gesamtladung muss links und rechts vom Reaktionspfeil gleich sein.
REDOXREAKTIONEN
Beim Oxalat-Anion berücksichtigen wir, dass dieses zwei Elektronen abgibt:
C2O42- → 2 CO2 + 2 e- Oxidation
Wir brauchen hier das kleinste gemeinsame Vielfache von Zwei und Fünf.
Also kombinieren wir wie folgt:
2 KMnO4 + 10 e- + 16 H+ → 2 K+ + 2 Mn2+ + 8 H2O
5 C2O42- → 10 CO2 + 10 e-
Weil jetzt schon gesichert ist, dass das Reduktionsmittel Oxalat genau so viele
Elektronen abgibt wie das Oxidationsmittel aufnimmt, brauchen wir die Elektronen nicht
mehr hinzuschreiben. (Wir hätten links 10 e- und rechts auch).
Die Gesamtgleichung lautet also:
2 KMnO4 + 5 C2O42- + 16 H+ → 2 K+ + 2 Mn2+ + 10 CO2 + 8 H2O
Bitte überzeugen Sie sich davon, dass links und rechts vom Reaktionspfeil die gleiche
Anzahl aller Atomsorten zu finden ist und dass die Gesamtladung rechts und links
übereinstimmt.
REDOXREAKTIONEN
Zur Ermittlung der Oxidationsstufen beim Oxalat und beim Kohlendioxid zerlegen wir
diese Verbindungen in Ionen, obwohl wir dabei kovalente Bindungen spalten.
Sauerstoff ist das elektronegativere Element und nimmt zwei Elektronen auf.
Im Kohlendioxid ergibt sich deshalb –II für O und +IV für C.
Im Oxalat tragen die vier O-Atome acht negative Ladungen. Die beiden C-Atome brauchen
aber nur sechs positive Ladungen aufzubringen, denn damit stimmt die Gesamtladung:
4 O2-- + 2 C3+ → C2O42-
SÄUREN UND BASENSäuren und Basen sind uns aus dem Haushalt bekannt.
Saure Lebensmittel: Essig, Obstsäfte, Colagetränke
Basische Chemikalien im Haushalt: Waschmittel, Seife, Granulat zur Reinigung
verstopfter Abflüsse
SÄURE/BASE – REAKTIONEN
H2O + HCl → H3O+ + Cl-
HCl(g) + NH3(g) → NH4+Cl-
Al4C3 + 12 H2O → 4 Al(OH) 3 + 3 CH4
Genau wie Elektronen kommen
Protonen in Lösungen oder im
Feststoff niemals in freier Form vor.
Sie besitzen ebenfalls eine extrem
hohe Ladungsdichte und lagern sich
stets an Elektronenpaare an.
Protonen bevorzugen möglichst
kompakte Elektronenpaare, die sich
z. B. als nicht bindende Elektronen-
paare an N- oder O-Atomen finden.
Das Carbid-Anion C4- im Al4C3 ist
ebenfalls eine sehr starke Base und
kann Wasser leicht deprotonieren
Reaktion von Ammoniak
mit Chlorwasserstoff
CHEMISCHE REAKTIONEN
Viele Farbstoffe sind selbst Säuren oder Basen.
Die Abbildung zeigt Reagenzgläser mit verdünntem Rotkrautsaft nach
Zusatz von Säuren oder Basen. Die Farbänderung von rot bei pH 1 – 3
über blau um pH 7,blaugrün und gelbgrün bei pH 9 – 11 und gelb bei pH
13 zeigt die Konzentration der Säure oder Base an (Foto entfernt).
c(H+) 0.1 1.6×10-3 6.3×10-4 1.3×10-7 4×10-8 3×10-10 10-10 10-11 10-13
pH 1.0 2.8 3.2 6.9 7.4 9.5 9.9 10.9 13.1
Konzentrationsangabe in mol/L
RECHNEN MIT STOFFMENGEN
Atommassen von Stickstoff: 14 und Wasserstoff: 1
Molekülmassen von N2: 28, H2: 2, NH3: 17
28 g Stickstoff und 6 g Wasserstoff ergeben 34 g Ammoniak
N2 + 3 H2 2 NH3
Beschreiben Sie in einem möglichst kurzen Satz die Bedeutung der SI-Einheit der
Stoffmenge.
Rechnen Sie in Mol um: 25 g Kohlendioxid, CO2; 11 Liter Wasserstoff (T = 25 °C, p =
99500 Pa).
Rechnen Sie in Gramm um:
2.5 mol Lithium, Li;
2.5 mol Glycerintristearat, C57H110O6 (ein typischer Vertreter der Speisefette).
Rechnen Sie in Gasvolumen um: 1 kg Wasserdampf bei 160 °C, p = 101300 Pa.
Erklären Sie den Unterschied zwischen der Molarität und der Molalität einer Lösung und berechnen Sie den Molenbruch einer Lösung, die 344.7 g/L Schwefelsäure enthält (der Rest ist Wasser, die Dichte beträgt 1.149 g/cm3).
Die SI-Basiseinheit Mol bemisst die Stoffmenge nach der Teilchenzahl.
Die Zahl der Teilchen in einem Mol Substanz ist definiert als die Anzahl der Atome in genau 12 g des
Kohlenstoffisotops 12C.
Ein Mol entspricht demnach 6.0221413 1023 Teilchen, das sind etwa 0.6 Quadrillionen Atome,
Moleküle, Ionen oder Elementarteilchen.
Diese Zahl wird auch Avogadro-Konstante NA genannt.
Für reine Stoffe kann die Stoffmenge 1 mol leicht ermittelt werden, indem man die relativen
Atommassen der atomaren Bestandteile addiert und den so erhaltenen Zahlenwert mit dem Faktor 1
g/mol-1 multipliziert. Die relativen Atommassen sind im Periodensystem angegeben, Beispiele folgen.
25 g Kohlendioxid: Formel CO2; relative Molekülmasse 12.01 + 2 16.00 = 44.01 atomare
Masseneinheiten (unified atomic mass units, Abkürzung u). Dieser Zahlenwert entspricht genau der
Masse von einem Mol Kohlendioxid in Gramm: 1 mol CO2 entspricht 44.01 g CO2.
25 g CO2 entsprechen 25 g : 44.01 g/mol = 0.5681 mol Kohlendioxid.
11 Liter Wasserstoff: n = (pV)/(RT) = (1013000.011)/(8.314298.15) = 0.45 mol.
In der Zustandsgleichung für ideale Gase wird der Druck in Pascal (N/m2), das Volumen in Kubikmeter,
die Gaskonstante in J/(molK) und die Temperatur in Kelvin angegeben.
2.5 mol Lithium: 2.5 mol 6.94 g/mol = 17.35 g Lithium
2.5 mol Glycerintristearat: 5712.01 + 1101.01 + 616.00 = 891.67 (g/mol); 2.5 mol 891.67 g/mol =
2229.2 g Glycerintristearat
1 kg Wasserdampf: M(H2O) = 16.00 + 21.01 = 18.02 g/mol
1000 g : 18.02 g/mol = 55.49 mol
V = nRT/p = 55.498.314433.15/101300 = 1.973 m3
Molarität: Stoffmengenkonzentration einer gelösten Substanz in Mol pro Liter Lösung.
Molalität: Stoffmengenkonzentration einer gelösten Substanz in Mol pro Kilogramm Lösungsmittel.
Vorteil der Angabe in mol/L: Einfaches Dosieren von Substanzen mit volumetrischen Geräten.
Vorteile der Angabe in mol/kg: Volumenänderungen der Lösung bei Änderung der Temperatur ändert die
Molarität, jedoch nicht die Molalität einer Lösung.
Molenbruch: Anteil der Stoffmenge einer gelösten Substanz an der gesamten Stoffmenge in Lösung.
Molenbruch von 344.7 g Schwefelsäure in einem Liter Lösung: Die Dichte wurde angegeben, um die
Gesamtmasse errechnen zu können – es handelt sich um 1149 g Lösung. Nach Abzug der Masse der
gelösten Schwefelsäure verbleiben 804.3 g Wasser.
Stoffmenge Wasser: 804.3 g : 18.02 g/mol = 44.63 mol
Stoffmenge Schwefelsäure: Molmasse M = 32.07 + 416.00 + 21.01 = 98.09 (g/mol)
344.7 g : 98.09 g/mol = 3.51 mol
Gesamte Stoffmenge: 44.63 mol + 3.51 mol : 48.14 mol
Molenbruch der Schwefelsäure: 3.51 mol : 48.14 mol = 0.073
Molenbruch des Wassers: 44.63 mol : 48.14 mol = 0.927
Der Molenbruch ist eine dimensionslose Zahl, die Einheit ist Mol pro Mol
Eine Atommasseneinheit 1 u = 1 Da = 1,660 538 921(73) × 10−27 kg. Es handelt
sich um ein Zwölftel der Masse eines Kohlenstoffatoms.
1a) 2 g Traubenzucker werden in Wasser gelöst und so auf die Weltmeere
verteilt, dass überall die gleiche Konzentration an Traubenzucker vorliegt. Wie
viele Moleküle Traubenzucker findet man im statistischen Mittel in einem Liter
Meerwasser?
Wir nehmen an, dass Meerwasser vor dem Gedankenexperiment keinen
Traubenzucker enthält und dass der gelöste Traubenzucker erst nach der
Konzentrationsbestimmung biologisch abgebaut wird.
Das Gesamtvolumen der Weltmeere wird auf 1.36 × 109 km3 geschätzt.
Die Summenformel von Traubenzucker lautet C6H12O6.
Welche Stoffmenge an Kohlendioxid wird beim biologischen Abbau des
Traubenzuckers gebildet?
Eine Atommasseneinheit 1 u = 1 Da = 1,660 538 921(73) × 10−27 kg. Es handelt
sich um ein Zwölftel der Masse eines Kohlenstoffatoms.
1a) 2 g Traubenzucker werden in Wasser gelöst und so auf die Weltmeere
verteilt, dass überall die gleiche Konzentration an Traubenzucker vorliegt. Wie
viele Moleküle Traubenzucker findet man im statistischen Mittel in einem Liter
Meerwasser?
Wir nehmen an, dass Meerwasser vor dem Gedankenexperiment keinen
Traubenzucker enthält und dass der gelöste Traubenzucker erst nach der
Konzentrationsbestimmung biologisch abgebaut wird.
Das Gesamtvolumen der Weltmeere wird auf 1.36 × 109 km3 geschätzt.
Die Summenformel von Traubenzucker lautet C6H12O6.
Welche Stoffmenge an Kohlendioxid wird beim biologischen Abbau des
Traubenzuckers gebildet?
Die Molmasse von Traubenzucker beträgt 180 g/mol.
1.36 × 109 km3 = 1.36 × 1021 dm3. 11.1 mmol Traubenzucker entsprechen 6.85 ×
1021 Molekülen. Es kommen also etwa fünf Moleküle auf einen Liter
Meerwasser.
Die Stoffmenge an Kohlendioxid beträgt 6 × 11.1 mmol = 66.6 mmol CO2
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